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同次関数どうじかんすうと不等式ふとうしき

date2026-07-14document_iddoc_3c3ac73aa84692834c4451e9d0b08266description同次関数を不等式で使う理由を、正規化・比への帰着・制約による同次化から整理する講義である。prerequisites同次関数と同次式 / 不等式の基本 / 多項式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/algebra/homogeneous-functions-and-expressions.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/inequality-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/mean-inequalities-and-homogeneity.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/homogeneity-and-standard-inequality-techniques.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/polynomials.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、同次性どうじせいを不等式ふとうしきの計算技法けいさんぎほうとして使つかうことを説明せつめいする。

不等式ふとうしきで複数ふくすうの変数へんすうが出でると、どの変数へんすうを基準きじゅんにすればよいかが見みえにくい。しかし両辺りょうへんが同おなじ次数じすうの同次式どうじしきなら、全すべての変数へんすうを正せいの倍率ばいりつで同時どうじに拡大かくだいしても不等式ふとうしきの真偽しんぎは変かわらない。

そのため、同次不等式どうじふとうしきでは

x+y=1,y=1,x2+y2=1

のように規模きぼを固定こていしてよい場合ばあいがある。この操作そうさを正規化せいきかという。

ただし、これは暗黙あんもくの裏技うらわざではない。同次性どうじせいがあり、さらに固定こていしたい量りょうが 0 でなく正せいの倍率ばいりつで目標もくひょうの値あたいへ到達とうたつできるから正規化せいきかできる。同次性どうじせいがない不等式ふとうしきや、0 になる量りょうを基準きじゅんにした正規化せいきかでは、勝手かってに規模きぼを固定こていしてはいけない。

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2なぜ同次性どうじせいが不等式ふとうしきで効きくのか

たとえば

x2+y2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2xy

を考かんがえる。両辺りょうへんはどちらも 2 次じである。x,y を同時どうじに λ 倍ばいすると、

(λx)2+(λy)2=λ2(x2+y2)

かつ

2(λx)(λy)=λ2(2xy)

である。両辺りょうへんが同おなじ λ2 倍ばいになるので、λ>0 なら大小関係だいしょうかんけいは変かわらない。

このように、同次不等式どうじふとうしきでは大おおきさそのものよりも、比ひや方向ほうこうが本質ほんしつになる。

3用語ようごと定義ていぎ

3.1同次不等式どうじふとうしき

F(x),G(x) が同おなじ d 次じの正同次関数せいどうじかんすうであるとき、

F(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(x)

の形かたちの不等式ふとうしきを、このページでは d 次じの同次不等式どうじふとうしきと呼よぶ。

この呼よび方かたで大切たいせつなのは、左辺さへんと右辺うへんの次数じすうが同おなじであることだ。次数じすうが違ちがうと、拡大縮小かくだいしゅくしょうで片方かたほうだけがより速はやく大おおきくなるため、正規化せいきかは使つかえない。

4命題めいだい 1:同次不等式どうじふとうしきは正せいの拡大縮小かくだいしゅくしょうで真偽しんぎが変かわらない

4.1仮定かてい

F,G が d 次じの正同次関数せいどうじかんすうであるとする。つまり、λ>0 について

F(λx)=λdF(x),G(λx)=λdG(x)

が成立せいりつするとする。

4.2結論けつろん

F(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(x)

は、λ>0 に対たいして

F(λx)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(λx)

と同値どうちである。

4.3証明しょうめい

同次性どうじせいより、

F(λx)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(λx)

は

λdF(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]λdG(x)

と同おなじである。λ>0 なので λd>0 である。したがって正せいの数かず λd で割わっても不等号ふとうごうの向むきは変かわらず、

F(x)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(x)

を得える。逆ぎゃくも同おなじ計算けいさんである。□

この命題めいだいにより、同次不等式どうじふとうしきでは正せいの拡大縮小かくだいしゅくしょうで真偽しんぎが変かわらないことが分わかる。

ただし、ここから「好すきな正規化せいきかをしてよい」と結論けつろんしてはいけない。正規化せいきかには、固定こていしたい量りょうが 0 でなく、さらに正せいの倍率ばいりつでその値あたいへ到達とうたつできることが必要ひつようである。

5命題めいだい 2:正規化せいきかできる条件じょうけん

5.1仮定かてい

1 次じの正同次関数せいどうじかんすう S(x) があり、考かんがえている範囲はんいで S(x)>0 とする。このとき、x≠0 に対たいして

λ=1S(x)

と置おく。

5.2結論けつろん

λ>0 であり、

S(λx)=λS(x)=1

である。したがって、この範囲はんいでは S(x)=1 に正規化せいきかしてよい。

5.3証明しょうめい

仮定かていより S(x)>0 だから、λ=1/S(x) は正せいである。また S は 1 次じの正同次関数せいどうじかんすうなので、

S(λx)=λS(x)

である。ここに λ=1/S(x) を代入だいにゅうすると、

S(λx)=1S(x)S(x)=1

となる。□

たとえば x+y>0 の範囲はんいでは x+y=1 に正規化せいきかできる。y>0 の範囲はんいでは y=1 に正規化せいきかできる。y=0 や x+y=0 の場合ばあいは、その正規化せいきかでは扱あつかえないので別べつに確認かくにんする。

6命題めいだい 3:2 変数へんすうの同次不等式どうじふとうしきは比ひに帰着きちゃくできる

6.1仮定かてい

F(x,y),G(x,y) が同おなじ d 次じの正同次関数せいどうじかんすうであり、y>0 とする。

6.2結論けつろん

F(x,y)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(x,y)

は、t=x/y と置おくと

F(t,1)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(t,1)

と同値どうちである。

6.3証明しょうめい

y>0 なので、λ=1/y と置おける。命題めいだい 1 と命題めいだい 2 より

F(x,y)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(x,y)

は

F(xy,1)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(xy,1)

と同値どうちである。t=x/y と置おけば、

F(t,1)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G(t,1)

である。□

この命題めいだいを使つかうと、2 変数へんすうの同次不等式どうじふとうしきを 1 変数へんすうの不等式ふとうしきへ落おとせる。

7例れい 1:x,y[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 で x2+y2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2xy

不等式ふとうしき

x2+y2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2xy

は 2 次じの同次不等式どうじふとうしきである。ここでは x,y[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 とする。

y>0 の場合ばあい、t=x/y と置おくと、

t2+1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2t

を示しめせばよい。これは

t2-2t+1=(t-1)2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

である。y=0 の場合ばあいは、もとの式しきが x2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 となり明あきらかである。

この解法かいほうを思おもいつく理由りゆうは、両辺りょうへんが同おなじ次数じすうであり、y>0 なら y=1 に正規化せいきかして比ひだけを見みればよいからである。

8命題めいだい 4:制約せいやく S(x)=1 の下もとで多項式たこうしきを同次化どうじかできる

8.1状況じょうきょう

非同次ひどうじの不等式ふとうしきでも、

x+y=1

のような制約せいやくがあるときは、その制約せいやくの上うえでだけ同おなじ値あたいを持もつ同次式どうじしきへ直なおせることがある。不等式ふとうしき P[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Q では、P-Q[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]0 と見みるか、両辺りょうへんを共通きょうつうの次数じすうへ同次化どうじかする。

8.2主張しゅちょう

S を 1 次じの同次多項式どうじたこうしきとし、制約せいやく S(x)=1 の下もとで不等式ふとうしきを考かんがえる。

多項式たこうしき

P=P0+P1+⋯+Pd

を同次成分どうじせいぶんに分解ぶんかいする。このとき、制約せいやく S(x)=1 を満みたす点てんでは

P(x)=P0(x)S(x)d+P1(x)S(x)d-1+⋯+Pd(x)

である。右辺うへんは d 次じの同次式どうじしきである。

8.3証明しょうめい

S(x)=1 なので、任意にんいの k について

S(x)k=1

である。したがって

Pk(x)=Pk(x)S(x)d-k

である。これを k=0,…,d で足たすと主張しゅちょうが得えられる。

また、Pk は k 次じ、Sd-k は d-k 次じなので、積せき PkSd-k は d 次じである。よって右辺うへんは d 次じの同次式どうじしきである。□

この命題めいだいは、制約せいやくの外そとでも同おなじ関数かんすうになると主張しゅちょうしているわけではない。制約せいやく S(x)=1 を満みたす点てんでだけ、元もとの多項式たこうしきと同次化どうじかした式しきが一致いっちする、という主張しゅちょうである。

9例れい 2:x+y=1 の下もとで xy[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1/4

制約せいやく

x+y=1,x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,y[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

の下もとで

xy[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]14

を示しめしたいとする。

この不等式ふとうしきには定数ていすう 1/4 があるので、そのままでは同次どうじではない。しかし制約せいやく x+y=1 があるので、1 を x+y に置おき換かえられる。

xy[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]14

は

4xy[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1

であり、1=(x+y)2 だから、

4xy[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")](x+y)2

を示しめせばよい。これは

(x+y)2-4xy=x2-2xy+y2=(x-y)2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

である。

この変形へんけいは、定数ていすうを適当てきとうに置おき換かえたのではない。制約せいやく x+y=1 があるため、1 と x+y が同おなじ値あたいを持もつ。その情報じょうほうを使つかって同次化どうじかしたのである。

10例れい 3:[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dfrac\")")]x2+y2x+y の最小値さいしょうち

x>0,y>0 とし、

E=x2+y2x+y

を考かんがえる。これは分子ぶんしが 2 次じ、分母ぶんぼが 1 次じなので、全体ぜんたいとしては 1 次じの正同次関数せいどうじかんすうである。つまり

E(λx,λy)=λE(x,y)

である。

そのため、制約せいやくなしに「最小値さいしょうち」を求もとめると問題もんだいが壊こわれる。実際じっさい、λ→0 とすると E(λx,λy)→0 である。

最小値さいしょうちを意味いみある形かたちで問とうには、たとえば

x+y=1

のように規模きぼを固定こていする必要ひつようがある。この制約せいやくの下もとでは

E=x2+y2

なので、

x2+y2=(x+y)2-2xy=1-2xy

である。xy[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]1/4 より、

x2+y2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]1-12=12

である。等号とうごうは x=y=1/2 で成立せいりつする。

この例れいは、正同次関数せいどうじかんすうでは「規模きぼを固定こていしないと最大最小さいだいさいしょうが意味いみを持もたないことがある」ことを示しめしている。

11よくある誤あやまり

11.11. 次数じすうが違ちがうのに正規化せいきかする

x2+y2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]x+y

は両辺りょうへんの次数じすうが違ちがう。左辺さへんは 2 次じ、右辺うへんは 1 次じである。したがって、同次不等式どうじふとうしきとして正規化せいきかしてはいけない。

11.22. 0 になる量りょうで割わる

y=1 に正規化せいきかするには、y≠0 が必要ひつようである。y=0 の場合ばあいを別べつに確認かくにんしないと、解かいを落おとすことがある。

11.33. 正せいでない倍率ばいりつを使つかう

不等式ふとうしきでは、負ふの数かずを掛かけると不等号ふとうごうの向むきが変かわる。そのため、正規化せいきかでは通常つうじょう λ>0 を使つかう。

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12一言ひとことでいうと

同次不等式どうじふとうしきでは、全体ぜんたいの大おおきさではなく比ひや方向ほうこうが本質ほんしつになる。だから正規化せいきかして変数へんすうを減へらせる。制約せいやくがある非同次ひどうじ不等式ふとうしきでは、その制約せいやくを使つかって同次化どうじかできることがある。

13関連かんれんリンク

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